專利名稱：用于接地故障探測(cè)和中斷的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及用于將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的設(shè)備和方法，并且更具體地涉及用于 可靠地探測(cè)不安全接地故障狀況和在探測(cè)到不安全接地故障狀況時(shí)中斷該能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng) 的操作的設(shè)備和方法。
背景技術(shù)：
使用光伏(PV)系統(tǒng)將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芤褳槿怂荛L(zhǎng)一段時(shí)間了，并且該光伏 能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)越來越多地實(shí)施于居住、商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用中。迅速探測(cè)不期望的到地的DC電 流的分流，也稱作接地故障，對(duì)于實(shí)施該系統(tǒng)來說是強(qiáng)制性的，因?yàn)榻拥毓收蠞撛诘卮嬖谖?險(xiǎn)狀況，包括火災(zāi)危險(xiǎn)。因此，為安全原因，光伏能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)必需迅速探測(cè)接地故障狀況 并在合適的時(shí)候自動(dòng)中斷操作。除其它部件外，光伏系統(tǒng)典型地包括生成DC功率的光伏陣列和將DC功率轉(zhuǎn)換為 AC功率(例如單向或三相功率)的逆變器。在該系統(tǒng)中，典型地采用接地故障探測(cè)器和中 斷器(GFDI)來探測(cè)在PV陣列和地之間流動(dòng)的DC電流。接地故障探測(cè)器和中斷器中使用 的一些部件不能被證明是高統(tǒng)一性(integrity)部件，這意味著用于接地故障探測(cè)器和中 斷器中的這些部件的可靠性不能保證在可接受的水平。因?yàn)榻拥毓收咸綔y(cè)器和中斷器對(duì)于 PV能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的安全操作通常很關(guān)鍵，所以必需采取措施來確保接地故障探測(cè)器和中斷 器在所有時(shí)間都正確操作。因此，需要設(shè)備和方法來連續(xù)確保接地故障探測(cè)器和中斷器正 確操作。

發(fā)明內(nèi)容
以下總括圖示中所示的本發(fā)明的范例實(shí)施例。在具體實(shí)施方式
部分更充分地描述 了這些和其它實(shí)施例。然而，應(yīng)當(dāng)理解，其不是意在將本發(fā)明限制于發(fā)明內(nèi)容部分或具體實(shí) 施方式部分中描述的形式。本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠認(rèn)識(shí)到存在落入如權(quán)利要求所表述的本發(fā) 明的精神和范圍內(nèi)的許多變形、等同和替代結(jié)構(gòu)。在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明的特征在于一種光伏能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，包括適于耦接至光 伏陣列的第一和第二干線的第一和第二輸入端。在此實(shí)施例中，逆變器配置為將來自光伏 陣列的DC功率轉(zhuǎn)換為AC功率。接地故障探測(cè)器和中斷器耦接至第一和第二干線以及逆變 器，其配置為探測(cè)PV陣列中的接地故障狀況并在一旦探測(cè)到該狀況時(shí)將PV陣列與光伏能 量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的其余部分去耦接。已知信號(hào)(例如具有可識(shí)別的簽名的信號(hào))耦接至接地故 障探測(cè)器和中斷器的輸入端，然后在接地故障探測(cè)器和中斷器的輸出端被感測(cè)。如果在接 地故障探測(cè)器和中斷器的輸出端未感測(cè)到已知信號(hào)，則表明接地故障探測(cè)器和中斷器操作 不正常，且PV陣列將會(huì)被與PV能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的其余部件去耦接，由此中斷操作。在另一實(shí)施例中，發(fā)明的特征在于確保接地故障探測(cè)器和中斷器正常操作的方 法。此實(shí)施例中的發(fā)明包括將已知信號(hào)引入到接地故障探測(cè)器和中斷器的輸入端中；感 測(cè)在接地故障探測(cè)器和中斷器的輸出端是否存在已知信號(hào)；以及依賴于在接地故障探測(cè)器
4和中斷器的輸出端是否存在已知信號(hào)來進(jìn)行分支。如果存在已知信號(hào)，則濾除已知信號(hào)，并 將濾波的信號(hào)傳輸至逆變器，但如果不存在已知信號(hào)，則將PV陣列與PV能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的 其余部件去耦接，并發(fā)出接地故障探測(cè)器和中斷器操作不正常的警報(bào)。在另一實(shí)施例中，本發(fā)明的特征在于在探測(cè)到需要中斷系統(tǒng)的接地故障狀況時(shí)， 將雙極光伏陣列與光伏能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的其余部分安全并有效地去耦接的方法。如先前所述，上述實(shí)施例和實(shí)施僅用于示例目的。本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)以下描述 和權(quán)利要求，可以容易地認(rèn)識(shí)到本發(fā)明的許多其它實(shí)施例、實(shí)施、和細(xì)節(jié)。


結(jié)合附圖并參照以下具體實(shí)施方式
和所附的權(quán)利要求，本發(fā)明的各種目的和優(yōu)點(diǎn) 以及更完全的認(rèn)識(shí)是明顯的并且更容易被接受，其中圖1是描繪包括接地故障探測(cè)器和中斷器的光伏能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的范例實(shí)施例的 框圖；圖2是描繪參照?qǐng)D1描述的接地故障探測(cè)器和中斷器的范例實(shí)施例的框圖；圖3是描繪參照?qǐng)D1描述的接地故障探測(cè)器和中斷器的另一范例實(shí)施例的框圖；圖4是描繪參照?qǐng)D1描述的接地故障探測(cè)器和中斷器的另一范例實(shí)施例的框圖；圖5是描繪參照?qǐng)D1描述的接地故障探測(cè)器和中斷器的另一范例實(shí)施例的框圖；圖6是描繪可以結(jié)合參照?qǐng)D1-5討論的實(shí)施例來實(shí)現(xiàn)的范例方法的流程圖；圖7是描繪參照?qǐng)D1描述的系統(tǒng)的部分的范例實(shí)施例的圖示；圖8是描繪可以結(jié)合參照?qǐng)D1-7討論的實(shí)施例來實(shí)現(xiàn)的范例方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在參照附圖，其中，遍及數(shù)個(gè)視圖，相似或類似的元件指定有相同或?qū)?yīng)的參考 數(shù)字，并且特別參照?qǐng)D1，所示的為描繪包括耦接至逆變器106的光伏陣列102的光伏功率 轉(zhuǎn)換系統(tǒng)100的框圖。接地故障探測(cè)器和中斷器104耦接于光伏陣列102和逆變器106之 間。導(dǎo)線108將光伏陣列102耦接至逆變器106，接地故障探測(cè)器和中斷器104耦接(例如 感應(yīng)耦接)至導(dǎo)線108。如所示，接地故障探測(cè)器和中斷器104包括診斷部分114，且接地 故障探測(cè)器和中斷器104經(jīng)由接地故障信號(hào)線110耦接至斷開模塊112。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，圖1中描繪的部件的示例布置是邏輯上的，而不意味著實(shí)際的硬件 圖；從而，在實(shí)際實(shí)施中，部件能夠進(jìn)行組合或進(jìn)一步被拆分。例如，接地故障探測(cè)器104可 以由也用于逆變器106內(nèi)的硬件和/或軟件實(shí)現(xiàn)。且在一些實(shí)施中，斷開模塊112可以與 光伏陣列102空間上分離。通常，光伏陣列102將太陽能轉(zhuǎn)換為DC電流，DC電流被逆變器106轉(zhuǎn)換為AC功 率(例如，單相或三相功率)。光伏陣列102可以是單極或雙極陣列。接地故障探測(cè)器和中 斷器104探測(cè)不安全接地故障狀況并迅速動(dòng)作以停止DC電流從陣列102至地的不安全流 動(dòng)。在許多實(shí)施例中，例如，接地故障探測(cè)器和中斷器104感測(cè)接地故障并發(fā)送接地故障信 號(hào)110至斷開模塊112以隔離陣列102 (例如與地和逆變器106隔離)。診斷部分114配置為測(cè)試接地故障探測(cè)器和中斷器104是否在正常操作(例如正 操作以探測(cè)接地故障)，并且如果接地故障探測(cè)器和中斷器104不在正常操作，則接地故障
5診斷部分114向斷開模塊112發(fā)送接地故障信號(hào)110以使陣列102離線。下面參照?qǐng)D2，所示的為參照?qǐng)D1描述的系統(tǒng)100的接地故障探測(cè)器和中斷器104 的范例實(shí)施例的框示。如所示，圖2中描繪的接地故障探測(cè)器和中斷器204中，來自光 伏陣列(例如光伏陣列102)的輸入線208耦接至DC電流變換器212。雖然為了示例方便， 框圖中將輸入線208描繪為單個(gè)線，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員容易理解，兩個(gè)導(dǎo)線耦接至DC電 流變換器212。在采用單極PV陣列102的PV能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)100中，兩個(gè)輸入線208對(duì)應(yīng)于 至PV陣列102的正和中性(連接至地)連接。且在采用雙極光伏陣列102的PV能量轉(zhuǎn)換 系統(tǒng)中，輸入線208對(duì)應(yīng)于光伏陣列102的正和負(fù)連接。繼續(xù)參照?qǐng)D2，接地故障探測(cè)器和中斷器204包括數(shù)個(gè)部件，包括放大器214、 模-數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器216和控制器或數(shù)字信號(hào)處理器218。如所示，DC電流變換器212通過 連接線220耦接至放大器214，并且放大器214通過連接線222耦接至A/D轉(zhuǎn)換器216。如 所描繪的，A/D轉(zhuǎn)換器216也通過連接線224耦接至控制器或數(shù)字信號(hào)處理器218。最后， 接地故障探測(cè)器和中斷器204通過線210耦接至光伏能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)100的斷開模塊112 (圖 2中未示出)。在通常操作狀況下，流過輸入線對(duì)208的電流的幅度不存在差別或幾乎不存在差 別，但是當(dāng)在光伏陣列102中引起了接地故障狀況時(shí)，輸入線208的之一中流動(dòng)的電流將比 另一輸入線中流動(dòng)的電流多，且會(huì)在電流變換器212的線圈230中感應(yīng)出電流，使得產(chǎn)生饋 送至電流變換器212的輸入端232的故障信號(hào)。如于此進(jìn)一步討論的，在許多實(shí)施例中，利 用故障信號(hào)的幅度來確定是否存在接地故障和/或所需的響應(yīng)類型。在一個(gè)實(shí)施例中，電 流變換器212具有IOOKHz的帶寬，用于感測(cè)流過輸入線208的差分電流。本領(lǐng)域技術(shù)人員 將容易理解，具有不同特點(diǎn)和特性的電流變換器可以用于實(shí)現(xiàn)于此公開的應(yīng)用所需的操總 力(functional capability)，取決于具體實(shí)施和應(yīng)用。如所示，從電流變換器212輸出的信號(hào)220被放大器214放大，生成放大的信號(hào) 222，放大的信號(hào)222被A/D轉(zhuǎn)換器216轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)224?？刂破骰驍?shù)字信號(hào)處理器218 于是評(píng)估數(shù)字信號(hào)224以確定是否存在接地故障，并且如果存在接地故障，則確定接地故 障是否呈現(xiàn)需要中斷光伏能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)100的狀況。在一個(gè)實(shí)施例中，在信號(hào)線208之間探測(cè)到超過5.0安培的電流差時(shí)，需要在從探 測(cè)時(shí)起的特定量時(shí)間內(nèi)進(jìn)行中斷；而探測(cè)到超過7. 5安培的電流差時(shí)，需要在從探測(cè)時(shí)起 的更短量時(shí)間內(nèi)進(jìn)行中斷；且探測(cè)到超過10安培的電流差時(shí)，需要在從探測(cè)時(shí)起的甚至更 短量時(shí)間內(nèi)進(jìn)行中斷。本領(lǐng)域技術(shù)人員容易理解，用于觸發(fā)中斷的該電流閾值和定時(shí)要求 取決于使用中的光伏能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)100的特定環(huán)境、施加于操作中的系統(tǒng)的具體兼容性代 碼或規(guī)則，或者取決于這二者。如果探測(cè)到接地故障并需要中斷，則控制器或數(shù)字信號(hào)處理 器218發(fā)送信號(hào)210以致動(dòng)一個(gè)或多個(gè)致動(dòng)器(例如在斷開模塊112中)，該致動(dòng)器斷開光 伏陣列102和地之間以及光伏陣列102和系統(tǒng)100之間的連接，由此電隔離光伏陣列并停 止危險(xiǎn)電流流動(dòng)。在許多實(shí)施例中，接地故障探測(cè)器和中斷器204為光伏能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)100的關(guān)鍵 操作安全特征，并且從而在系統(tǒng)100操作時(shí)的所有時(shí)間必需正確地操作。接地故障探測(cè)器 和中斷器204的一個(gè)或多個(gè)部件失效是可能的，使得接地故障探測(cè)器和中斷器204不能探 測(cè)表示接地故障狀況的差分電流。在該情況下，光伏能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)100將繼續(xù)操作，延長(zhǎng)了
6危險(xiǎn)和潛在的災(zāi)難性狀況。如所示，在此實(shí)施例中，結(jié)合控制器或數(shù)字信號(hào)處理器218利用信號(hào)生成器226以 實(shí)現(xiàn)接地故障診斷功能(例如，其通過接地故障診斷部分114執(zhí)行)。具體地，為評(píng)估接地 故障探測(cè)器和中斷器204的操作是否正常，已知的(例如由于獨(dú)特和/或具有容易識(shí)別的 特性)附加信號(hào)228，也可以稱作診斷信號(hào)或參考信號(hào)，和從輸入線208感應(yīng)的信號(hào)一起被 供應(yīng)至接地故障探測(cè)器和中斷器204。在圖2中描繪的實(shí)施例中，例如，通過使信號(hào)線通過 變換器線圈230而將信號(hào)228引入至電流變換器230的線圈230。結(jié)果，電流變換器212的 輸入端232包括通過故障探測(cè)器204的處理鏈212、214、216、218傳播的包括診斷信號(hào)(從 附加信號(hào)線228變換的)和故障信號(hào)(從線208中的電流變換的)的合成信號(hào)。如果控制器或數(shù)字信號(hào)處理器218探測(cè)到診斷信號(hào)228，則假定接地故障探測(cè)器 204能夠探測(cè)輸入線208中的差分電流，在此實(shí)施例中，控制器或數(shù)字信號(hào)處理器218在處 理鏈212、214、216、218的末端。換句話說，因?yàn)槔门c探測(cè)來自光伏陣列102的輸入208中 的任何電流差分相同的處理鏈212、214、216、218探測(cè)附加信號(hào)228，所以當(dāng)控制器或數(shù)字 信號(hào)處理器218探測(cè)到附加信號(hào)228時(shí)，處理鏈212、214、216、218如預(yù)期的那樣操作?？?制器或數(shù)字信號(hào)處理器218對(duì)附加信號(hào)228的該探測(cè)保證在產(chǎn)生接地故障狀況時(shí)，接地故 障探測(cè)器和中斷器204將探測(cè)到該接地故障狀況。當(dāng)然可以設(shè)想，在其它實(shí)施例中，處理鏈 212、214、216、218包括探測(cè)故障狀況的其它部件，并且在這些其它實(shí)施例中，仍然可以通過 探測(cè)通過處理鏈的附加信號(hào)的傳播來評(píng)估處理鏈。在圖2中所示的范例實(shí)施例中，通過供應(yīng)IkHz正弦波信號(hào)的信號(hào)生成器226實(shí)現(xiàn) 信號(hào)228，但是這當(dāng)然不是必需的，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，可以由信號(hào)生成器226供應(yīng) 許多不同的電信號(hào)(例如不同頻率)以滿足此目的。現(xiàn)在參照?qǐng)D3，描繪了另一實(shí)施例，其使用自然發(fā)生的、光伏能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)100所 固有的共模寄生電流，以引入至接地故障探測(cè)器和中斷器304的輸入中，由此避免了對(duì)分 開的信號(hào)生成器226的需求。該固有信號(hào)包括，例如180Hz (源于3相配置)、60Hz (源于單 相配置)以及16Hz (對(duì)應(yīng)于一個(gè)實(shí)施例中所用的切換頻率)的寄生電流。本領(lǐng)域技術(shù)人員 容易理解，該自然發(fā)生的寄生電流將依賴于給定的光伏能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)100的具體實(shí)施而變 化，以及該自然發(fā)生的、共模寄生電流可以用于此目的。現(xiàn)在參照?qǐng)D4，描繪了另一實(shí)施例，其中，控制器或數(shù)字信號(hào)處理器物理上設(shè)置于 逆變器418中，而不是接地故障探測(cè)器和中斷器404中。然而，功能上，控制器或數(shù)字信號(hào) 處理器418能夠由接地故障探測(cè)器和中斷器404和逆變器418共享。設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單和成本的潛 在降低是圖4描繪的實(shí)施例通過共享用于接地故障探測(cè)器和中斷器404和逆變器406執(zhí)行 的應(yīng)用的控制器或數(shù)字信號(hào)處理器418的功能性所實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。在另一實(shí)施例中，A/D轉(zhuǎn)換 器416和控制器或數(shù)字信號(hào)處理器418均可以實(shí)施于逆變器406內(nèi)。例如，多通道A/D轉(zhuǎn) 換器416可以用于逆變器406中以轉(zhuǎn)換電流變換器信號(hào)和一個(gè)或多個(gè)其它輸入(例如溫度 輸入)為數(shù)字信號(hào)?，F(xiàn)在參照?qǐng)D5，所示的為接地故障探測(cè)器和中斷器504的另一實(shí)施例，其利用中線 528提供的饋入電源560的參考信號(hào)，由此避免了對(duì)圖2中描繪的分開的信號(hào)生成器226的 需求。在此實(shí)施例中，電源560向接地故障探測(cè)器和中斷器504和/或逆變器(例如逆變 器106)的一個(gè)或多個(gè)部件提供功率(例如+5V、+12V、+15V和+24V，均相對(duì)于地)用于邏輯處理。操作中，只要故障探測(cè)部件512、514、516、518的鏈運(yùn)轉(zhuǎn)正常，控制器或數(shù)字信號(hào) 處理器518就探測(cè)中線528中的電流頻率(例如，60Hz)。具體地，如果故障探測(cè)部件512、 514、516、518運(yùn)轉(zhuǎn)正常，則DC電流變換器512產(chǎn)生表示60Hz電流和輸電線508之間的任何 差分電流的信號(hào)520。來自變換器520的信號(hào)520然后由放大器514放大，生成放大的信號(hào) 522，且放大的信號(hào)522被A/D轉(zhuǎn)換器516轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)524。數(shù)字信號(hào)524然后由控制 器或數(shù)字信號(hào)處理器518濾波，以探測(cè)是否存在60Hz的信號(hào)。如果存在60Hz的信號(hào)，則處 理鏈512、514、516、518運(yùn)轉(zhuǎn)正常，且控制器或數(shù)字信號(hào)處理器518評(píng)估所濾波的信號(hào)以確 定線508之間的差分電流(如果有的話)是否超過閾值。如果不存在參考信號(hào)(例如60Hz的信號(hào))，則控制器或數(shù)字信號(hào)處理器518將通 過發(fā)送信號(hào)510(例如至斷開模塊112)來啟動(dòng)動(dòng)作以將光伏陣列102與PV能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng) 100和地去耦接。接下來參照?qǐng)D6，所示的是描繪可以結(jié)合參照?qǐng)D1-5討論的實(shí)施例來實(shí)現(xiàn)的范例 方法的流程圖600。如所示，在框604，將已知信號(hào)(例如從信號(hào)生成器226提供的信號(hào)、系 統(tǒng)100固有的信號(hào)、電源528提供的信號(hào)或其它可識(shí)別信號(hào))與表示PV陣列102內(nèi)的任何 接地故障的信號(hào)一起引入至接地故障探測(cè)器和中斷器的輸入端(例如至電流變換器212、 312、412、512)。接下來，在框606，在接地故障探測(cè)器和中斷器的處理鏈(例如處理鏈212、 214、216、218)的末端感測(cè)(例如通過控制器或數(shù)字信號(hào)處理器218)該已知信號(hào)。如所示，框608表示取決于是否探測(cè)到已知信號(hào)而影響方法的流動(dòng)的條件分支。 如果未探測(cè)到已知信號(hào)，則在框610，PV能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)100關(guān)閉(例如通過響應(yīng)于來自控制 器或數(shù)字信號(hào)處理器218、318、418、518的信號(hào)將PV陣列102與系統(tǒng)100的其余部分去耦 接)，且在框612，發(fā)出(例如通過控制器或數(shù)字信號(hào)處理器218、318、418、518)表示接地故 障探測(cè)器和中斷器104、204、304、504運(yùn)轉(zhuǎn)不正常的通知。如果在框606識(shí)別到已知信號(hào)， 則在框614，濾除已知信號(hào)(例如通過控制器或數(shù)字信號(hào)處理器218、318、418、518)，且在框 616，分析攜帶有表示PV陣列中的任何接地故障的信號(hào)的所濾波的信號(hào)，以確定是否存在 接地故障狀況。圖7是包括雙極光伏陣列702的光伏能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)100的另一實(shí)施例的部分的示 意圖、以及一旦探測(cè)到需要中斷系統(tǒng)的接地故障狀況時(shí)，將雙極光伏陣列702去耦接的新 穎結(jié)構(gòu)和方法。此類型的光伏陣列702通常稱作雙極連接陣列具有諸如干線(rail)704 和706的兩條干線的光伏陣列，每條干線相對(duì)于地具有相反極性。此電路配置容許，使用光 伏陣列的第一半710生成相對(duì)于地的正電壓，使用光伏陣列的第二半712，生成相對(duì)于地的 負(fù)電壓。如所示，主DC接觸器714和716分別耦接于PV陣列702與干線704和706的輸 出端之間。主DC接觸器714、716用于將PV陣列702耦接至光伏能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(例如系統(tǒng) 100)的其余部分或用于將其與光伏能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)當(dāng)前其余部分去耦接，且輸出端704、706 典型地耦接至逆變器(例如逆變器106)?？梢允墙Y(jié)構(gòu)與主DC接觸器714和716類似的DC 接觸器的PV結(jié)(tie) 718在圍繞陣列的中線(neutral) 708、709的點(diǎn)耦接至PV陣列702，如 圖7中所示例。輔助開關(guān)720和722也耦接至圍繞陣列的中線708、709的點(diǎn)和地。保險(xiǎn)絲 724和726耦接至各輔助開關(guān)720和722。在一個(gè)實(shí)施例中，保險(xiǎn)絲724和726定額為3安培，然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員容易理解，基于特定實(shí)施和在系統(tǒng)的安裝設(shè)定中施加于系統(tǒng)的代 碼和規(guī)則，該保險(xiǎn)絲可以選擇更寬廣變化的值。在一個(gè)實(shí)施例中，控制器或數(shù)字信號(hào)處理器 (例如218、318、418、518，圖7中未示出)耦接至主DC接觸器714和716 ；PV結(jié)718 ；和輔 助開關(guān)720,722,并且控制器或數(shù)字信號(hào)處理器(例如218、318、418、518，圖7中未示出) 用于設(shè)定這些部件的狀態(tài)(斷開或閉合)?？梢允┘佑诠夥芰哭D(zhuǎn)換系統(tǒng)100的電代碼(諸如National ElectricalCode-NEC) 一些情況下要求光伏陣列的一側(cè)接地(例如，見NEC Article690)。 當(dāng)例如與也要求中線點(diǎn)接地的120/240伏的AC公共事業(yè)輸電線路(utility grid)相連接 時(shí)，此要求可能存在問題。為了如代碼所需地將陣列和公共事業(yè)輸電線路均接地，光伏系統(tǒng) 通常在逆變器106中采用隔離變壓器(未示出)，以容許陣列和輸電線路均接地。當(dāng)產(chǎn)生了需要中斷的接地故障狀況時(shí)，必需引起注意以確保光伏能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng) 100安全關(guān)閉。當(dāng)光伏陣列702的一半710和712之一內(nèi)發(fā)生故障時(shí)，產(chǎn)生接地故障狀況， 并且接著可以進(jìn)行用于將PV陣列702與系統(tǒng)去耦接的專門步驟。例如，可以首先斷開DC接觸器714和716，以通過逆變器的動(dòng)作去除施加于陣列 710和712上的虛接地。此配置稱作“虛接地”。發(fā)明人向各測(cè)試代理演示了在于此描述的 狀況和配置時(shí)，此虛接地配置存在于地或地附近。一旦斷開接觸器714、716，則可以斷開PV 結(jié)接觸器718以隔離正和負(fù)陣列710和712。最后，陣列710、712的中線708、709以開關(guān) 720和722連接至地。如果仍存在地電流，則將斷開適當(dāng)?shù)谋ｋU(xiǎn)絲724或726，從而中斷地 電流并防止危險(xiǎn)電流流動(dòng)。下面參照?qǐng)D8，其示出了描繪可以結(jié)合參照?qǐng)D7討論的實(shí)施例來實(shí)現(xiàn)的范例方法 的流程圖800。在框804，設(shè)定正常操作狀況。在正常操作狀況下(例如，在PV能量轉(zhuǎn)換系 統(tǒng)100已經(jīng)安全啟動(dòng)時(shí))，閉合主DC接觸器714和716以容許PV陣列702生成的電流流至 逆變器(例如106)，PV結(jié)718閉合，且輔助開關(guān)720和722斷開。如框806反映的，接地故 障探測(cè)器和中斷器(例如104)連續(xù)操作以探測(cè)需要系統(tǒng)中斷的接地故障狀況，如框806中 的“NO”分支所示例。如果探測(cè)到需要中斷的接地故障狀況，則方法行進(jìn)至框808，在此，主 DC接觸器714和716斷開，PV結(jié)接觸器718斷開，且輔助開關(guān)720和722閉合。當(dāng)探測(cè)到接地故障時(shí)，可以點(diǎn)亮逆變器的正面面板上的接地故障燈。如所描繪的， 方法分支至框810，在此，采取動(dòng)作以研究接地故障探測(cè)和中斷警報(bào)的源。分別在圖7和8中公開的結(jié)構(gòu)和方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它們減少了實(shí)施的成本。通過 使用PV結(jié)718和輔助開關(guān)720和722來保持中線708和709為虛接地，避免了安裝從PV陣 列(典型地位于屋頂或其它遙遠(yuǎn)位置)至電服務(wù)面板的昂貴、笨重規(guī)格的中線的需求。在 一個(gè)實(shí)施例中，用于接地故障探測(cè)器和中斷器(例如104)的中斷部分和保險(xiǎn)絲部分的控制 封裝在安裝于副底盤(sub-chassis)上的小框中。能夠?qū)⒏钡妆P容易地安裝在屋頂或物理 上設(shè)置PV陣列702的任何地方。雖然重型線(heavy duty wire)必需連接至副底盤，但是 僅輕型線(light duty wire)需要延伸至逆變器?？傊?，除了其它，本發(fā)明還提供用于探測(cè)需要光伏能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的系統(tǒng)中斷的接 地故障狀況的系統(tǒng)和方法。本領(lǐng)域技術(shù)人員容易認(rèn)識(shí)到，可以在本發(fā)明中，在其使用和配置 上進(jìn)行許多變形和替代，以實(shí)現(xiàn)與于此描述的實(shí)施例所實(shí)現(xiàn)的基本相同的結(jié)果。因此，不是 意在限制本發(fā)明于公開的范例形式。許多變形、更改和替代結(jié)構(gòu)落入權(quán)利要求表述的公開
9的發(fā)明的范圍和精神中。
權(quán)利要求
一種光伏能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，包括光伏陣列，配置為生成直流(DC)功率，其中，所述光伏陣列包括第一干線和第二干線；逆變器，配置為將所述DC功率信號(hào)轉(zhuǎn)換為交流電流(AC)；以及接地故障探測(cè)器和中斷器，耦接至所述光伏陣列的所述第一干線和所述第二干線，所述接地故障探測(cè)器和中斷器配置為探測(cè)所述光伏陣列中的診斷信號(hào)和接地故障狀況，并配置為在探測(cè)到接地故障狀況時(shí)或未探測(cè)到所述診斷信號(hào)時(shí)，中斷所述光伏能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的操作。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述接地故障探測(cè)器和中斷器包括電流變換器，配置為接收診斷信號(hào)并耦接至所述光伏陣列的所述第一干線和所述第二 干線，以使得所述電流變換器感測(cè)所述第一干線和所述第二干線之間的差分電流，并且其 中，所述電流變換器配置為將所述診斷信號(hào)變換到處理鏈上并將故障探測(cè)信號(hào)變換到所述 處理鏈上，所述故障探測(cè)信號(hào)表示所述光伏陣列的所述第一干線和所述第二干線之間的所 述差分電流；以及控制器，配置為探測(cè)所述診斷信號(hào)和所述故障探測(cè)信號(hào)。
3.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，包括模擬_數(shù)字轉(zhuǎn)換器，配置為將所述診斷信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字診斷信號(hào)，并將所述故障探測(cè) 信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字故障探測(cè)信號(hào)；其中，所述控制器包括數(shù)字信號(hào)處理器，所述數(shù)字信號(hào)處理器配置為探測(cè)所述數(shù)字診 斷信號(hào)和所述數(shù)字故障探測(cè)信號(hào)。
4.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，包括信號(hào)生成器，配置為生成所述診斷信號(hào)。
5.如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中，所述信號(hào)生成器配置為生成IKHz的信號(hào)。
6.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中，所述診斷信號(hào)包括所述光伏系統(tǒng)所固有的一個(gè)或 多個(gè)共模、寄生電流。
7.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中，所述診斷信號(hào)包括從電源生成的信號(hào)，所述電源給 所述接地故障探測(cè)器和中斷器的至少一部分提供功率。
8.一種用于探測(cè)接地故障探測(cè)器的失效的方法，包括向所述接地故障探測(cè)器的輸入端供應(yīng)故障信號(hào)，所述故障信號(hào)從光伏能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)生成；將已知信號(hào)與所述接地故障探測(cè)器的所述輸入端的所述故障信號(hào)組合，以產(chǎn)生合成信號(hào)；在所述接地故障探測(cè)器的處理鏈的末端探測(cè)所述已知信號(hào)是否存在于所述合成信號(hào) 中；以及如果存在所述已知信號(hào)，則評(píng)估所述功率信號(hào)是否表示存在接地故障，并且如果不存 在所述已知信號(hào)，則中斷所述光伏能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的操作。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中，中斷所述光伏能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的操作包括發(fā)出所述 接地故障探測(cè)器操作不正常的警報(bào)。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其中，中斷所述光伏能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的操作包括 將多個(gè)DC接觸器去耦接，以將所述光伏能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的光伏陣列與所述光伏能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的逆變器電隔離。
11.一種光伏能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，包括雙極光伏陣列，包括安置于第一干線和第一中線之間的第一 PV陣列和安置于第二中 線和第二干線之間的第二 PV陣列，所述第一 PV陣列配置為相對(duì)于地電位在所述第一干線 處施加正電位，且所述第二 PV陣列配置為相對(duì)于地在所述第二干線處施加負(fù)電位；第一 DC接觸器和第二 DC接觸器，所述第一 DC接觸器耦接至所述第一干線，所述第二 DC接觸器耦接至所述第二干線；PV結(jié)，耦接于所述第一 PV陣列和所述第一中線之間的第一點(diǎn)，且耦接于所述第二 PV陣 列和所述第二中線之間的第二點(diǎn)；以及第一輔助開關(guān)和第二輔助開關(guān)，所述第一輔助開關(guān)耦接于所述第一中線和地之間，所 述第二輔助開關(guān)耦接于所述第二中線和地之間。
12.如權(quán)利要求11所述的光伏能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，包括控制器，所述控制器耦接至所述第 一和第二 DC接觸器、所述PV結(jié)和所述第一和第二輔助開關(guān)，并配置為控制所述第一和第二 DC接觸器、所述PV結(jié)和所述第一和第二輔助開關(guān)。
13.如權(quán)利要求11所述的光伏能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其中，所述控制器包括數(shù)字信號(hào)處理器。
14.如權(quán)利要求11所述的光伏能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，包括耦接于所述第一輔助開關(guān)和地之間 的第一保險(xiǎn)絲和耦接于所述第二輔助開關(guān)和地之間的第二保險(xiǎn)絲。
15.一種用于中斷采用雙極光伏陣列的光伏能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的方法，所述方法包括探測(cè)需要中斷所述光伏能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的狀況；斷開PV結(jié)，以將所述雙極光伏陣列的兩個(gè)PV陣列解耦接，由此將所述兩個(gè)PV陣列與 虛地去耦接；在斷開所述PV結(jié)后，斷開多個(gè)主DC接觸器，并閉合多個(gè)輔助開關(guān)，由此將所述雙極光 伏陣列與所述能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的其余部分去耦接并通過所述輔助開關(guān)之一將源自所述雙極 光伏陣列中的接地故障的電流旁路。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，還包括探測(cè)是否已經(jīng)觸發(fā)保險(xiǎn)絲；如果保險(xiǎn)絲已觸發(fā)，則修理或替換所述雙極光伏陣列；以及如果所述保險(xiǎn)絲未觸發(fā)，則研究所探測(cè)的狀況的起因。
全文摘要
公開了一種用于光伏(PV)能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的接地故障探測(cè)器和中斷器、方法以及設(shè)備。在范例實(shí)施例中，系統(tǒng)包括適于耦接至PV陣列的第一和第二干線的第一和第二輸入端。逆變器配置為將自PV陣列生成的DC功率轉(zhuǎn)換為AC功率。接地故障探測(cè)器和中斷器耦接至第一和第二干線以及逆變器，其配置為探測(cè)PV陣列中的接地故障狀況并在一旦探測(cè)到該狀況時(shí)將PV陣列與PV能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的其余部分去耦接。已知信號(hào)耦接至接地故障探測(cè)器和中斷器的輸入端，然后在接地故障探測(cè)器和中斷器的輸出端被感測(cè)，以確定接地故障探測(cè)器和中斷器的部件是否正常操作。
文檔編號(hào)G01R31/40GK101981776SQ200980110800
公開日2011年2月23日 申請(qǐng)日期2009年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月29日
發(fā)明者E·西摩, J·A··吉爾摩 申請(qǐng)人:先進(jìn)能源工業(yè)公司